厄加勒斯泄漏区海洋热浪与海洋酸化极端事件的复合演变：长期趋势与年际变率的贡献解析

《Frontiers in Marine Science》：Extreme compound events in the Agulhas Leakage

　　

在人为气候变化的驱动下，海洋热浪（marine heatwaves, MHWs）与海洋酸化极端事件（ocean acidity extremes, OAXs）正在持续增强，二者的复合共现可能加剧对海洋生态系统的综合影响。然而，作为印度洋温暖、高盐水体进入大西洋的关键通道，厄加勒斯泄漏（Agulhas Leakage）区域的此类事件此前尚未得到系统研究。本研究刻画了该区域1982–2024年间的MHWs，以及1982–2021年间的OAXs及其复合事件，并对原始数据与线性去趋势（linearly detrended）数据进行了对比分析。在固定基线下，原始数据中MHW累积强度从第一个十年至第四个十年由约29.95 °C·年上升至109.51 °C·年，而去趋势后则由49.4 °C·年升至66.7 °C·年。OAX强度在原始数据中由约0.24 nmol kg?1·年增至4.10 nmol kg?1·年，而去趋势后仅由0.35 nmol kg?1·年升至0.46 nmol kg?1·年。复合事件仅在2000年代之后出现。去趋势分析表明，上述增长的大部分反映了长期增温与酸化趋势的贡献，而残差变率则集中于动力活跃的厄加勒斯回流（Agulhas Retroflexion）区域，该处反气旋涡旋（anticyclonic eddies）裹挟着印度洋温暖且高[H+]的水体。似然倍增因子（likelihood multiplication factor, LMF）证实，MHW–OAX之间存在统计上显著的正向依赖关系，且该关系在去趋势后依然存在，表明在年际时间尺度上MHW与OAX具有统计上显著的正向共现，这与通过碳酸盐化学（carbonate chemistry）实现的物理耦合机制一致。基线的选择对复合极端事件的风险评估具有决定性影响。

论文解读

一、研究背景与科学问题

过去数十年间，人为CO₂及其他温室气体排放的持续增加深刻改变了气候系统，导致全球范围内极端事件频次与强度显著上升，其中海洋热浪（marine heatwaves, MHWs）与海洋酸化极端事件（ocean acidity extremes, OAXs）尤为突出。这些极端事件对海洋生态系统、渔业以及区域和全球经济均造成了广泛影响。当两类极端事件在时空上同时发生时，即构成复合极端事件（compound extreme events），其通过各组分效应的交互与叠加可产生放大的生态影响。

厄加勒斯泄漏（Agulhas Leakage）位于非洲西南海岸外的大西洋东南部，是印度洋水体进入大西洋的关键通道。该区域受厄加勒斯回流（Agulhas Retroflexion）驱动，不断向大西洋脱落携带温暖高盐水体的反气旋涡旋（anticyclonic eddies），即厄加勒斯环（Agulhas rings）。这一水交换过程为大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的上层支流提供水源，对全球气候调节具有基础性作用。同时，该区域紧邻本格拉上升流系统（Benguela Upwelling System, BUS），后者支撑着全球海洋中生产力最高的生态系统之一。该区域之所以特别适合研究热–酸化复合极端事件，原因有三：其一，反气旋厄加勒斯涡旋将印度洋温暖且高[H⁺]的水体携带入大西洋，形成空间上共位的温度与酸化异常；其二，这些涡旋在年际时间尺度上主导着区域热量与碳收支；其三，该区域处于印度洋与南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）两大海洋系统的交汇处，海表温度（sea surface temperature, SST）与碳酸盐化学参数均存在强梯度，从而放大了热与酸化极端事件的共现概率。

然而，此前尚无研究对厄加勒斯泄漏区域多年代际记录中的MHW–OAX复合极端事件进行系统量化，也未比较长期强迫趋势与年际内部变率对其发生的相对贡献。既有研究虽已识别出该区域的MHWs并揭示其与大气海洋异常环流及风强迫的联系，也有研究在大西洋尺度上识别了MHW、高酸度与低叶绿素的三重复合事件，但针对厄加勒斯泄漏区域复合极端事件的精细刻画仍十分匮乏，尤其是考虑到该区域强烈的中尺度活动及其作为洋盆间通道的特殊角色。

二、研究内容与主要结论

本研究将厄加勒斯泄漏区域MHWs与OAX极端事件的分析时段分别扩展至1982–2024年与1982–2021年，并聚焦于MHW与OAX的复合共现。研究系统比较了基于原始（未去趋势）数据与线性去趋势数据的分析结果，旨在回答三个核心问题：其一，1982–2021年间该区域MHW、OAX及复合MHW–OAX事件如何演变；其二，这种演变在多大程度上反映长期强迫趋势而非内部变率；其三，去除趋势后MHW与OAX之间是否存在统计上显著的共现关系，若存在，其背后的物理机制是什么。该研究的创新性体现在三个方面：对40年记录中原始与去趋势MHW及OAX指标的系统比较；对长期趋势在复合极端事件强化中贡献的量化；以及证明去趋势后MHW–OAX在年际时间尺度上仍存在统计上显著的正向共现，从而揭示该区域由动力过程驱动的复合风险。

三、主要技术方法

研究采用多源数据与多种统计方法。SST数据取自NOAA最优插值海表温度（OISST）数据集，空间分辨率0.25°×0.25°，覆盖1982–2024年；[H⁺]数据由Burger和Fr?licher（2023）基于GFDL ESM2M地球系统模式输出生成，空间分辨率1°×1°，覆盖1982–2021年，其来源整合了Hadley中心EN4.2.2客观分析的温度盐度场、MPI-SOMFNN v2022的CO₂ fugacity（fCO₂）以及LIARv2算法估算的总碱度，并在CO2SYS框架内计算[H⁺]。MHW识别遵循Hobday等（2016）的定义，即SST连续至少5天超过基于至少30年气候态的90^th百分位阈值；OAX定义为[H⁺]超过逐月气候态90^th百分位的月份。复合事件定义为同一网格内MHW月累积强度超过50^th百分位且OAX同时发生的月份。研究采用线性去趋势方法分离长期强迫信号与年际变率，并使用似然倍增因子（likelihood multiplication factor, LMF）及Fisher精确检验（经Benjamini–Hochberg错误发现率校正）评估MHW与OAX之间的统计依赖性。

四、研究结果

（一）厄加勒斯泄漏区域的海洋热浪

在固定基线下，该区域1982–2024年间呈现显著增温信号，SST线性趋势最大达0.05 °C/年，几乎全域显著增温。MHW频率最高达66天/年，累积强度最高达166.6 °C·年。区域平均MHW累积强度时间序列显示2000年后活动明显加速，最强烈事件出现在2015年之后，峰值集中于2016年、2018–2019年及2024年，与2015/16年厄尔尼诺事件及随后创纪录的海洋增温年份一致。十年对比显示，原始数据下MHW累积强度从第一十年的29.95 °C·年增至第四十年的109.51 °C·年，增幅265.7%；频率从17.11天/年增至58.07天/年，增幅239.4%。线性去趋势后，大尺度正趋势被移除，仅在东南角沿厄加勒斯泄漏区域（约39–42°S，12–18°E）残留统计上显著的孤立正趋势斑块，表明内部变率在这些区域对MHW强化有额外贡献。去趋势后第四十年累积强度仍较第一十年高35.1%，频率高27.1%，说明长期SST趋势与内部变率共同驱动了MHW强化。

（二）厄加勒斯泄漏区域的海洋酸化极端事件

区域平均表面[H⁺]约为7.5至8.4 nmol kg^?1，线性趋势显示全域[H⁺]普遍上升，最强趋势位于南部，达0.04 nmol kg^?1/年，反映海洋持续吸收人为CO₂导致的表层酸化。OAX频率最高达12个月/年，累积强度最高达8.53 nmol kg^?1·年。时间序列显示约2006年后OAX事件急剧增加，此前几乎无可检测事件。最引人注目的是，原始数据下OAX累积强度从第一十年的0.24 nmol kg^?1·年增至第四十年的4.10 nmol kg^?1·年，增幅达1611.5%；频率从1.33个月/年增至6.74个月/年，增幅405.8%，远超MHW的增长幅度。去趋势后，OAX频率与累积强度趋势在大部分区域转为负值且不显著，仅西南边界区域存在显著趋势，与较冷的亚南极水体相关。去趋势后OAX累积强度仅增加32.4%，频率仅增加12.7%，表明长期酸化趋势是OAX急剧增加的主导因素。

（三）厄加勒斯泄漏区域的复合极端事件

原始数据下，复合MHW–OAX事件频率最高达26个月/十年，集中于南部厄加勒斯泄漏走廊并向西北延伸。复合频率趋势全域显著为正，最大达0.09个月/年/年。时间序列显示，1982–2005年间复合事件基本不存在（0个月），约2006–2008年后随OAX事件涌现而迅速转变，2010年后几乎每年发生，2008–2010年、2014–2016年及2018–2021年尤为强烈且广泛，近年空间覆盖率超过50%。十年对比显示，原始数据下复合频率从第一十年的0个月/年增至第四十年的3.04个月/年，强度从0增至0.95（归一化单位）。去趋势后，复合频率最高仅10个月/十年，远低于原始数据；趋势呈偶极型分布，正显著趋势集中于北部厄加勒斯走廊（27–33°S），南部为不显著的微弱负趋势。去趋势复合事件在记录期内分布更为均匀，无2000年代中期突增现象，证实原始数据中的急剧增加主要归因于OAX趋势。去趋势后空间覆盖率最大约30%，较原始数据低约20%。去趋势后复合频率仅增加5.0%，强度增加31.9%。

（四）MHW与OAX事件之间的统计依赖性

原始数据下，LMF在北部及中部大部分区域超过1，最高达4.5，即复合事件发生频率为独立假设下预期频率的4.5倍；Fisher精确检验显示广泛统计显著性，确认MHW与OAX的共现显著高于随机预期，与SST增温通过碳酸盐化学驱动[H⁺]升高的物理预期一致。去趋势后，LMF值降低但仍在上半区域（27–36°S）保持大于1，最高达3.1，且北部厄加勒斯区域仍保留统计显著的正向依赖。原始数据中LMF>1的区域占比为93.4%，去趋势后降至62.8%。在本格拉上升流沿岸区域及南部（36–42°S），去趋势后LMF接近或低于1，表明该区域MHW与OAX事件接近独立或呈弱负依赖。去趋势后仍存在的显著正LMF表明，MHW与OAX之间的正依赖并非仅由共享长期趋势造成的假象，而是年际时间尺度上真实存在的物理耦合。

五、讨论与结论

讨论部分指出，MHW与OAX在该区域的急剧增强主要受SST与[H⁺]长期趋势驱动，其中OAX的17倍增长尤为突出，且仅在约2006年后才出现广泛OAX事件。去趋势分析揭示了内部变率的独立贡献：去趋势后残差趋势集中于厄加勒斯系统及ACC边界等动力活跃区域，反气旋涡旋对温暖高[H⁺]印度洋水体的裹挟、回流位置的年际波动以及ACC/厄加勒斯锋面对跨锋热量与碳酸盐交换的调节，共同维持了去趋势后仍存在的MHW与OAX趋势。厄尔尼诺事件通过使南大西洋副热带高压向极移动，增强泄漏并减弱本格拉上升流，从而加热该区域。去趋势后北部区域仍保持显著正LMF，与暖水印度洋入流及携带高SST和高[H⁺]的反气旋涡旋的主导作用一致；而南部及沿岸区域LMF接近或低于1，可能反映了较冷亚南极水体与上升流本格拉水体的竞争性影响，使SST与[H⁺]异常解耦。温度升高通过碳酸盐化学平衡直接推高[H⁺]，而溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）的同步下降则起相反作用，在副热带及反气旋涡旋内前者通常占优，从而增加复合MHW–OAX事件的发生概率。

结论部分总结如下：1982–2024年间，厄加勒斯泄漏区域MHW、OAX及其复合事件均显著增强。原始数据下MHW强度增加265.7%、频率增加239.4%；去趋势后仅分别增加35.1%和27.1%，表明长期SST趋势与内部变率共同起作用。OAX增强最为剧烈，原始数据下强度增加1611%，主要受长期酸化趋势驱动；去趋势后强度仅增加32.4%、频率增加12.7%。复合事件在原始数据下从第一十年完全缺失增至第四十年平均3.04个月/年；去趋势后频率仅增加5.0%、强度增加31.9%。LMF分析证实，无论是否去趋势，北部厄加勒斯区域MHW与OAX之间均存在统计上显著的正向依赖，证明年际时间尺度上SST与[H⁺]异常的物理耦合独立于强迫趋势而生成复合极端事件。研究强调基线选择对复合极端事件评估具有决定性影响：固定基线捕捉了强迫趋势的全部生物学影响，而去趋势分析则分离了年际变率的独立贡献，两种视角对全面理解复合极端事件风险均不可或缺。研究的生物学意义在于，即使去除长期趋势后仍存在统计上显著的复合事件，意味着海洋生态系统不仅承受渐进式强迫趋势的压力，还面临年际变率带来的急性生理胁迫，且随着平均状态持续增温与酸化，这些年际极端事件将叠加于日益加剧的胁迫基线上，进一步放大生态风险。研究局限性包括：[H⁺]产品依赖神经网络插值的pCO₂场，在南大西洋因实测数据稀疏而不确定性较高；[H⁺]数据的时空分辨率低于SST数据，1°分辨率可能无法捕捉单个厄加勒斯涡旋的中尺度结构；研究仅聚焦MHW–OAX复合事件，未来应扩展至低叶绿素与低氧极端事件；研究区域涵盖广义厄加勒斯泄漏区域，未来应在更精确界定的动力子区域（如厄加勒斯环走廊）内检验结果是否有所不同。